弧形超高層建筑的抗風設計研究

趙松林

1 概述

羅浮宮國際家具博覽中心位于順德中心城區,高約200 m,如同船帆,造型非常優美。主塔樓為弧狀結構,長寬大約為100 m×25 m。由于風荷載是該超高層建筑的控制荷載之一,且其高寬比約為8、長寬比約為4,體型比較復雜,因而在結構設計時采用風洞試驗來確定該建筑的風荷載。

本文基于湖南大學風洞測壓試驗獲得結果,得到了結構風荷載體型系數,基礎等效風荷載及結構頂部加速度響應,并與規范相關值進行了對比,獲得了一些有意義的結論。

2 試驗簡介

風洞試驗模型用ABS板制成,具有足夠的強度和剛度。模型與實物在外形上保持幾何相似,縮尺比為 1∶300,高 67 cm。將周圍500 m半徑范圍內已建和待建的建筑物的1/300縮尺比模型分別按其相對位置放在主樓模型周圍并固結在轉盤上(見圖1)。為測取建筑表明的風壓,在模型上共布置了435個測點。

地貌類型按國家《建筑結構荷載規范》中規定的B類地貌考慮,地貌粗糙度系數(指數律)α=0.16。試驗時參考點高度設在67 cm,參考點高度處的控制風速為15 m/s,圖2為在風洞轉盤中心處的平均風速剖面和湍流度剖面。

3 結果分析

3.1 體型系數

依據測壓結果,各點的風壓系數由下列公式計算:

其中,Cpi(t)為測點i的風壓系數時程;pi(t)為試驗時測得的測點i處的風壓力時程;p0和p∞分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓。

建筑物表面各點的體型系數可表示為:

其中,μsi為測點i的局部體型系數;Cpi,mean為測點 i風壓系數的平均值;hr和hi分別為參考點和測點的高度。

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》,弧形建筑的體型系數為1.4。按試驗結果計算得到的典型風向角下的體型系數見表1。由于建筑特殊的外形,計算體型系數時未包含頂部測點,實際計算測點的最高高度為162 m。

表1 典型風向角下的體型系數

從表1可看出,當迎風面為凹面(0°風向角)時,整體體型系數與規范建議值比較接近,當迎風面為凸面(180°風向角)時,整體體型系數比規范建議值小。造成這種差別的主要原因是凸面為迎風面時,立面邊上較大區域出現負風壓,這說明氣流在迎風面上產生了分離;而迎風面為凹面時,氣流分離僅發生在棱角位置,立面所有測點均表現為較大的正風壓。可見,體形的差異會直接導致風荷載大小的差別。

3.2 基礎等效靜風荷載

基于空氣動力學理論基礎[1]與結構動力及可靠度理論[2],計算得到結構的等效靜風荷載。圖3為計算得到的基底等效靜風荷載隨風向分布圖。

從圖3可以看出,在X向,基底剪力(Fx)與基底彎矩(My)具有相同的變化規律;在Y向,基底剪力(Fy)與基底彎矩(Mx)具有相同的變化規律。結構設計控制風向角位于0°和180°附近,相對來說,0°風向角基底等效靜風荷載更大,這主要與建筑的體型有關,上述體型系數也說明了這一特點。從圖3還可看出,X向風荷載隨風向角的變化較為平穩,而 Y向的風荷載出現明顯的風向性;但較大的基底等效靜風荷載僅發生在有限的風向角范圍。

表2為按不同方式計算得到的結構底部(最大)等效靜風荷載,其中,規范計算結果是指依據規范相關條文采用PKPM計算得到的結果。從表2可看出,X向的基底最大等效風荷載明顯小于規范計算得到的結果,這是因為此類弧形建筑的氣流分離現象與矩形截面的氣流分離現象之間的差異所造成的;Y向的最大基底等效靜風荷載與規范計算結果相當;從綜合上看,采用風洞試驗結果進行結構設計可在一定程度上降低工程造價。

表2 風荷載結果對比

3.3 結構頂部加速度

按照《高層建筑混凝土結構技術規程》的規定,高度超過150 m的高層建筑結構應具有良好的使用條件,滿足舒適度要求。基于規范10年重現期風荷載取值和風洞試驗數據計算的結構頂部峰值加速度如圖4所示。從圖4可以看出,無論是X向還是Y向,Y風向風振明顯大于X風向風振。結構頂部X向最大加速度為0.040 m/s2,Y向最大加速度為0.076 m/s2,舒適度滿足規范要求。

《高層民用建筑鋼結構技術規程》第5.5.1條給出了順風向和橫風向頂點最大加速度的計算公式,據此計算得到Y軸方向的順風向和橫風向加速度分別為0.039 m/s2,0.089 m/s2。由于我國荷載規范中隱含采用的是2.2的峰值因子[3],而試驗數據處理中計算得到的峰值因子為3.3。若將規范計算 也按3.3的峰值因子考慮,則 Y軸方向的順風向和橫風向加速度分別為0.058 m/s2,0.133 m/s2。順風向計算結果與試驗結果基本一致,而橫風向差別較大。

4 結語

1)弧形建筑凹面為迎風面時,體型系數與規范建議值比較接近,為1.35;凸面為迎風面時,體型系數比規范建議值小,為1.12;體型對風荷載有顯著的影響。2)采用風洞試驗結果進行結構抗風設計,可降低工程成本。因此在進行超高層建筑設計時,進行風洞試驗研究確定其設計風荷載是非常有意義的。3)結構橫風向風振比順風向風振顯著,應該歸結于順風向結構振動是由于來流的湍流引起的,而橫風向振動主要是因為脈動風的漩渦脫落引起的。

[1] 埃米爾?希繆,羅伯特?H?斯坎倫.風對結構的作用—風工程導論[M].劉尚培,項海帆,譯.上海:同濟大學出版社,1992.

[2] 李桂青,李秋勝.工程結構時變可靠度理論及其應用[M].北京:科學出版社,2001.

[3] 石碧青,謝壯寧,倪振華.用高頻底座力天平研究廣州西塔的風效應[J].土木工程學報,2008,41(2):42-48.